1. No category

PROJECTE O TESINA D’ESPECIALITAT
Títol
Monitorización y análisis de agitación portuaria.
Un caso práctico.
711-TES-CA-5515
Autor/a
Xavier Tous Clots
Tutor/a
Francesc Xavier Gironella i Cobos; Joan Pau Sierra Pedrico;
Tutor externo: Joaquim Sospedra Iglesias
Departament
Enginyeria Hidràulica, Marítima i Ambiental
Intensificació
Enginyeria Marítima
Data
Juliol de 2012
Monitorización y análisis de agitación portuaria. Un caso
práctico.
Autor: Tous Clots, Xavier
Tutores: Gironella i Cobos, Francesc Xavier; Sierra Pedrico, Joan Pau
Tutor externo: Sospedra Iglesias, Joaquim
Palabras clave: agitación portuaria, diferencias finitas, oleaje, Port Fòrum, modelo tipo
Boussinesq.
La agitación portuaria es un fenómeno que consiste en la oscilación de ondas que se
encuentran dentro de un puerto. Cobra importancia cuando el oleaje incidente tiene una
elevada altura, o una frecuencia cercana a la que tienen las dársenas del puerto. Este
fenómeno que afecta a escala global, puede producir movimientos oscilatorios violentos
del agua semi-cerrada. Las consecuencias pueden ser daños en las estructures y
embarcaciones, o pueden generar problemas en la operatividad del puerto, llevando a
pérdidas económicas. Teniendo en cuenta las predicciones del mar, y de la agitación en
los puertos, se pueden evitar daños, y garantizar la seguridad de los usuarios.
En esta tesina se presenta un sistema pre-operacional de predicción del estado de
agitación del Port Fòrum de Barcelona. El trabajo se realiza mediante un modelo
numérico en diferencias finitas, del tipo Boussinesq. Dicho modelo puede simular los
principales fenómenos físicos que ocurren cuando llega el oleaje al puerto y a su
interior, con un bajo coste computacional.
Para la resolución del modelo mediante diferencias finitas, se requiere la creación de
una malla, mediante la discretización del dominio y la batimetría de la zona de estudio,
requiriendo el calibrado de varios parámetros del puerto, y del oleaje incidente. Se ha
utilizado los datos recogidos por una boya direccional delante del dominio de estudio,
determinando a partir de ellos un abanico de casos a estudiar.
Los resultados han sido validados mediante la comparación con los datos recogidos por
tres lectores de nivel ubicados en puntos estratégicos del interior del puerto. Se han
obtenido resultados parecidos, con un nivel de error aceptable.
Finalmente, una vez calibrado el modelo, se ha procedido a proponer 2 alternativas para
reducir la agitación interior.
Monitoring and analysis of harbour agitation.
A case study.
Author: Tous Clots, Xavier
Thesis Directors: Gironella i Cobos, Francesc Xavier;
Sierra Pedrico, Joan Pau
Foreign Director: Sospedra Iglesias, Joaquim
Key Words: harbor agitation, finite differences, waves, Port Fòrum, Boussinesq-type
model.
Harbour agitation is a phenomenon consisting on the oscillation of waves found inside a
harbor. It becomes important when the incident waves have a big height, and a
frequency close to that of the harbor basins. This phenomenon, that affects harbors
around the world, can generate violent oscillatory movements of the semi-closed waters.
Consequences can be damage to structures or boats, and operativity problems,
generating important economic losses. Working with the wave predictions, together
with the harbor agitation predictions, we can avoid damage, as well as guarantee the
user’s safety.
In this graduation thesis, a pre-operational system for the harbor agitation of Port Fòrum
of Barcelona is presented. The system works through a finite difference numerical
model, of the Boussinesq type. This model can simulate the principal physical
phenomena that occur when waves arrive to and into the harbor, with a low
computational cost.
To resolve this model in finite differences, the creation of a mesh is required, by
defining the bathymetry and domain of the study area. In addition, it requires to be
calibrated comparing their results with measurements, recorded by a directional buoy
located in front of the study domain. From the buoy data a number of cases have been
selected.
Model results have been compared with data recorded these wave gauges, located at
strategic points inside the harbour. The model results show a reasonable level of
agreement with the measurements.
Finally, once the model has been calibrated, two solutions have been proposed and
tested, in order to reduce the agitation within the harbour.
Índice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Propagación del Oleaje
1
2
3
3.1 Refracción……………………………………………………………...……3
3.2 Asomeramiento………………………………………………………..……4
3.3 Resultados…………………………………………………………………...5
4. Metodología
7
4.1 Sistema de Medidas………………………………………………………...7
4.1.1. Descripción del sistema propuesto……………………………………7
4.1.2. Medidas interiores…………………………………………………….9
4.1.3. Medidas exteriores…………………………………………………...11
4.1.4. Recepción, acceso y diseminación…………………………………..14
4.2 Modelo Numérico………………………………………………………....15
4.2.1. Precedentes…………………………………………………………..15
4.2.2. Descripción del modelo de agitación………………………………...15
5. Análisis de Datos
17
5.1 Datos medidos…………………………………...………………………...17
5.1.1. Medidas exteriores…………………………………………………...17
5.1.2. Medidas interiores…………………………………………………...19
5.2 Correlaciones y tendencias……………………………………………….22
5.2.1. Sensor de nivel 1……………………………………………………..22
5.2.1.1. Relación de Ka1 con la dirección de propagación del oleaje.22
5.2.1.2. Relación de Ka1 con el periodo medio………………………….23
5.2.1.3. Relación de Ka1 con la altura significante del oleaje………...23
5.2.1.4. Conclusiones……………………………………………………....24
5.2.2. Sensor de nivel 2……………………………………………………..24
5.2.1.1. Relación de Ka2 con la dirección de propagación del oleaje.25
5.2.1.2. Relación de Ka2 con el periodo medio………………………….25
5.2.1.3. Relación de Ka2 con la altura significante del oleaje………...26
5.2.1.4. Conclusiones………………………………………………………26
5.2.3. Sensor de nivel 3……………………………………………………..27
5.2.1.1. Relación de Ka3 con la dirección de propagación del oleaje...27
5.2.1.2. Relación de Ka3 con el periodo medio………………………28
5.2.1.3. Relación de Ka3 con la altura significante del oleaje………..28
5.2.1.4. Conclusiones………………………………………………...29
5.2.4. Conclusiones........................................................................................29
6. Calibración del Modelo
30
6.1 Sectores…………………………………………………………………….30
6.2 Calibrado preliminar……………………………………………………..30
6.2.1 Tormentas de calibrado…………………………………………….30
6.2.2 Rendimiento del modelo y estadísticas…………………………….31
6.2.2.1
Sensor de nivel 1……………………………………………..32
6.2.2.2
Sensor de nivel 2……………………………………………..33
6.2.2.3
Sensor de nivel 3……………………………………………..34
6.2.2.4
Conclusiones………………………………………………….35
7. Simulación Numérica
36
7.1 Situación actual............................................................................................36
7.2 Alternativa 1.................................................................................................44
7.3 Alternativa 2.................................................................................................52
8. Conclusiones
61
8.1 Conclusiones de la tesina.............................................................................61
8.2 Trabaj futuro...............................................................................................62
Índice de figuras
1.1
3.1
4.1.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
5.11
5.12
5.13
5.14
5.15
5.16
5.17
5.18
6.1
6.2
6.3
6.4
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
7.10
7.11
Vista aérea de Port Fòrum. Imagen sacada de [1]……………………………....1
Direcciones límite que afectan al Port Fòrum. Fuente: [1]…………...………....3
Topología del sistema utilizado. Elaboración propia...........................................8
Localización de los puntos de medida interiores. Fuente: [1]..............................9
Tubo de soporte del aparato 2.............................................................................10
Posición de la boya de oleaje Besós. Fuente: [1]………………………...........11
Boya de oleaje Besós…………………………………………………………..11
Cadena estabilizadora, y 2 grilletes “Datawell.”………………………………12
Hilo de caucho con su cabo de seguridad……………………………………...12
Boyarines que levantan el hilo de poliéster……………………………………12
Boyarines que levantan la cadena……………………………………………...13
Boya de oleaje Besós…………………………………………………………..13
Localización de la estación receptora. Fuente: [1]…………………………….14
Direcciones límite que afectan al Port Fòrum. Fuente: [1]…………………….17
Orientación de la línea de costa (azul), y direcciones límite (rojo)……………18
Alturas de ola significante respecto el tiempo en la boya de oleaje Besós……18
Evolución de la altura de ola significante respecto al tiempo en el punto (2)....19
Evolución de la altura de ola significante respecto al tiempo en el punto (3)…20
Evolución de la altura de ola significante respecto al tiempo en el punto (1)…20
Evolución del periodo de pico respecto al tiempo en el punto (1)…………….21
Evolución del periodo de pico respecto al tiempo en el punto (2)……….........21
Evolución del periodo de pico respecto al tiempo en el punto (3)……….........21
Relación de la dirección del oleaje con Ka1……………………………............22
Relación del periodo medio del oleaje con Ka1………………………..............23
Relación la altura significante del oleaje con Ka1……………………...............23
Relación de la dirección del oleaje con Ka2……………………………............25
Relación del periodo medio del oleaje con Ka2………………………..............25
Relación de la altura significante del oleaje con Ka2………………..................26
Relación de la dirección del oleaje con Ka3……………………………............27
Relación del periodo medio del oleaje con Ka3…………………………..........28
Relación de la altura significante del oleaje con Ka3……………………..........28
Sectores de Port Fòrum considerados en el análisis. ...............................…......29
Relación entre Ka1 medido, y Ka1 previsto por el modelo……………………...32
Relación entre Ka2 medido, y Ka2 previsto por el modelo……………………...33
Relación entre Ka3 medido, y Ka3 previsto por el modelo……………………...34
Situación actual; Tp = 6s, θ = 60º.......................................................................36
Situación actual; Tp = 6s, θ = 90º.......................................................................37
Situación actual; Tp = 6s, θ = 120º.....................................................................37
Situación actual; Tp = 6s, θ = 150º.....................................................................38
Situación actual; Tp = 6s, θ = 180º.....................................................................38
Situación actual; Tp = 9s, θ = 60º.......................................................................39
Situación actual; Tp = 9s, θ = 90º.......................................................................39
Situación actual; Tp = 9s, θ = 120º.....................................................................40
Situación actual; Tp = 9s, θ = 150º.....................................................................40
Situación actual; Tp = 9s, θ = 180º.....................................................................41
Situación actual; Tp = 12s, θ =60º......................................................................41
7.12
7.13
7.14
7.15
7.16
7.17
7.18
7.19
7.20
7.21
7.22
7.23
7.24
7.25
7.26
7.27
7.28
7.29
7.30
7.31
7.32
7.33
7.34
7.35
7.36
7.37
7.38
7.39
7.40
7.41
7.42
7.43
7.44
7.45
7.46
7.47
Situación actual; Tp = 12s, θ =90º......................................................................42
Situación actual; Tp = 12s, θ =120º...................................................................42
Situación actual; Tp = 12s, θ =150º...................................................................43
Situación actual; Tp = 12s, θ =180º...................................................................43
Planta de la alternativa 1……………………………………………………...44
Alternativa 1; Tp = 6s, θ = 60º..........................................................................44
Alternativa 1; Tp = 6s, θ = 90º..........................................................................45
Alternativa 1; Tp = 6s, θ = 120º........................................................................45
Alternativa 1; Tp = 6s, θ = 150º........................................................................46
Alternativa 1; Tp = 6s, θ = 180º........................................................................46
Alternativa 1; Tp = 9s, θ = 60º..........................................................................47
Alternativa 1; Tp = 9s, θ = 90º..........................................................................47
Alternativa 1; Tp = 9s, θ = 120º........................................................................48
Alternativa 1; Tp = 9s, θ = 150º........................................................................48
Alternativa 1; Tp = 9s, θ = 180º........................................................................49
Alternativa 1; Tp = 12s, θ = 60º........................................................................49
Alternativa 1; Tp = 12s, θ = 90º........................................................................50
Alternativa 1; Tp = 12s, θ = 120º......................................................................50
Alternativa 1; Tp = 12s, θ = 150º......................................................................51
Alternativa 1; Tp = 12s, θ = 180º......................................................................51
Planta de la alternativa 2……………………………………………………...52
Alternativa 2; Tp = 6s, θ = 60º..........................................................................52
Alternativa 2; Tp = 6s, θ = 90º..........................................................................53
Alternativa 2; Tp = 6s, θ = 120º........................................................................53
Alternativa 2; Tp = 6s, θ = 150º........................................................................54
Alternativa 2; Tp = 6s, θ = 180º........................................................................54
Alternativa 2; Tp = 9s, θ = 60º..........................................................................55
Alternativa 2; Tp = 9s, θ = 90º..........................................................................55
Alternativa 2; Tp = 9s, θ = 120º........................................................................56
Alternativa 2; Tp = 9s, θ = 150º........................................................................56
Alternativa 2; Tp = 9s, θ = 180º........................................................................57
Alternativa 2; Tp = 12s, θ = 60º........................................................................57
Alternativa 2; Tp = 12s, θ = 90º........................................................................58
Alternativa 2; Tp = 12s, θ = 120º......................................................................58
Alternativa 2; Tp = 12s, θ = 150º......................................................................59
Alternativa 2; Tp = 12s, θ = 180º......................................................................59
Agradecimientos
Agradezco la predisposición, las ganas de trabajar, y el trato que he recibido por parte
de mis tutores Joan Pau Sierra y Xavier Gironella. Gracias a ellos mi pasión por el mar
se ha extendido hasta campos ingenieriles, y he disfrutado en la propagación y agitación
de este trabajo.
Gracias también a todos aquellos que me han apoyado, y siguen apoyando, en todos los
momentos de mi vida:
A mi hermana Marina, con quién he compartido momentos malos y de euforia,
sufriendo nuestros vecinos las consecuencias en ocasiones.
A Cris, por creer en mi más de lo que yo mismo creo, por ser un referente como persona
perseverante y trabajadora, y por hacerme sentir especial.
A Ricardo por las innumerables horas de estudio entre Kardhu con coca-.cola, y
subrayadores voladores.
A Eloisa por apuntarse a un bombardeo tras otro, y por su interminable paciencia para
escuchar.
A mi padre, por ser mi referente como ingeniero.